無線網(wǎng)絡定位論文綜述

無線傳感器網(wǎng)絡定位技術(shù)分析摘要無線傳感器網(wǎng)絡具有成本低、監(jiān)測精度高、容錯性好、可遠程監(jiān)控、便于診斷與維護等眾多優(yōu)點，在環(huán)境監(jiān)測、事故定位救援等領域有著廣闊的應用前景，其根本任務是準確獲取物理世界的有價值信息。無線傳感器網(wǎng)絡借助節(jié)點的時間與位置信息，實現(xiàn)傳感器節(jié)點之間控制和傳感數(shù)據(jù)高速率、低延遲的交換，以保證整個檢測與控制系統(tǒng)的準確性與實時性．無線傳感器網(wǎng)絡面臨計算、存儲與網(wǎng)絡資源等方面的限制，針對如何進行無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點高效率、低能耗的定位以及覆蓋等問題展開研究具有十分重要的意義。在目標監(jiān)測與跟蹤、基于位置信息的路由中，節(jié)點的位置信息也是不可缺少的。關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡定位，實時性第一章背景分析無線傳感器網(wǎng)絡(WirelessSensorNetwork，WSN)被譽為21世紀最有影響力的21項技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一。傳感器節(jié)點定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡多數(shù)應用中的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)在國民經(jīng)濟建設和軍事領域有著非常重要的應用價值，如目標跟蹤、入侵檢測、災難管理和戰(zhàn)場偵察等。新技術(shù)在帶來應用機會的同時，也帶來新的研究問題。無論是在軍事偵察或地理環(huán)境監(jiān)測，還是交通路況監(jiān)測或醫(yī)療衛(wèi)生中對病人的跟蹤等應用場合，很多獲取的監(jiān)測信息需要附帶相應的位置信息，否則，這些數(shù)據(jù)就是不確切的，甚至有時候會失去采集的意義，因此網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點自身位置信息的獲取是大多數(shù)應用的基礎。所謂定位是對一組未知位置坐標的網(wǎng)絡節(jié)點，通過估計其至鄰居節(jié)點的距離或鄰居數(shù)目等手段，利用節(jié)點間交換的信息，確定節(jié)點位置的機制。從廣義上講，傳感器網(wǎng)絡的定位問題包括節(jié)點自身定位和對監(jiān)控目標的定位。由于傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點容量受限，包括有限的功耗、通信帶寬、內(nèi)存和計算能力，節(jié)點協(xié)作完成感知和通信任務，希望計算和通信量最小化，節(jié)點定位是傳感器網(wǎng)絡運行的一個基本和關(guān)鍵問題。首先，傳感器節(jié)點必須明確自身位置才能詳細說明“在什么位置發(fā)什么了什么事件”。從而實現(xiàn)對外部目標的定位和跟蹤；其次，了解傳感器節(jié)點的位置分布狀況可以對提高網(wǎng)絡的路由效率提供幫助，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡的負載均衡以及網(wǎng)絡拓撲的自動配置，改善整個網(wǎng)絡的覆蓋質(zhì)量。因此，必須采取一定的機制或算法來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡中各節(jié)點的定位。第二章傳統(tǒng)定位技術(shù)分析2.1Adhoc網(wǎng)絡定位在Adhoc網(wǎng)絡中,許多路由協(xié)議都是基于節(jié)點的位置信息。但是在一些特殊情況下,Adhoc網(wǎng)絡中的定位不能依賴GPS,必須進行自定位。隨著無線移動通信和移動終端技術(shù)的迅速發(fā)展,最初只應用于軍事領域的Adhoc網(wǎng)絡在民用移動通信領域也掀起了研究的熱潮。Adhoc網(wǎng)絡的特點既給實際應用帶來了很大的方便,也給其路由協(xié)議的設計帶來了新的挑戰(zhàn),例如特殊的信道共享方式問題、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化問題、無線帶寬的有限性問題、節(jié)能問題、網(wǎng)絡管理問題以及安全問題等。根據(jù)不同的分類標準,Adhoc網(wǎng)絡中的自定位算法有不同的分類方法。例如,根據(jù)節(jié)點是否需要測量信息,可分為基于測量的定位法和不需要測量的定位法；根據(jù)定位提供的坐標類型,可分為全局定位法、相對定位法和局部定位法。如圖1所示?；赗SSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)的測距技術(shù)根據(jù)理論或經(jīng)驗信號傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離。在無線傳感器網(wǎng)絡中，理論上通過3個錨節(jié)點的RSSI信息就可用三邊測量法決定一個未知節(jié)點的位置?；赗SSI距離定位算法的定位過程描述如下：(1)錨節(jié)點周期發(fā)送自身信息：節(jié)點自身位置信息。(2)未知節(jié)點接收到多個錨節(jié)點的RSSI值，根據(jù)信道模型計算節(jié)點間的距離。首先利用最先收到的3個錨節(jié)點來初步計算未知節(jié)點的位置。(3)對于所有接收到的消息，每三個一組，分別計算未知節(jié)點的位置。(4)最后，對集合中所有的計算位置取平均值，就是未知節(jié)點的位置估計。在實際應用環(huán)境中，由于多徑、繞射、障礙物等因素，無線電傳播路徑損耗使得定位過程中產(chǎn)生距離誤差。2.2Zigbee技術(shù)的定位方法法是對距離進行直接測量，非測距法依靠網(wǎng)絡連通度實現(xiàn)定位，測距法的精度一般高于非測距法，但測距法對節(jié)點本身硬件要求較高，在某些特定場合，如在一個規(guī)模較大且錨節(jié)點稀疏的網(wǎng)絡中，待定位節(jié)點無法與足夠多的錨節(jié)點進行直接通信測距，普通測距方法很難進行定位，此時需要考慮用非測距的方式來估計節(jié)點之間的距離，兩種算法均有其自身的局限性；2)依據(jù)節(jié)點連通度和拓撲分類可劃分為：單跳算法和多跳算法。單跳算法較多跳算法來說更加的簡便易行，但是存在著可測量范嗣過小的問題，多跳算法的應用更為廣泛，當測量范圍較廣導致兩個節(jié)點無法直接通信的情況較多時，需要多跳通信來解決；3)依據(jù)信息處理的實現(xiàn)方式可劃分為：分布式算法和集中式算法。以監(jiān)測和控制為目的算法因為其數(shù)據(jù)要在數(shù)據(jù)中心匯總和處理，大多使用集中式算法，其精度較高，但通信量較大。分布式算法是傳感器節(jié)點在采集周圍節(jié)點的信息后，在其自身的后臺執(zhí)行定位算法，該方法可以降低網(wǎng)絡通信量，但目前節(jié)點的能量、計算能力及存儲能力有限，復雜的算法難以在實際平臺中實現(xiàn)。激光測距傳感器和超聲波傳感器的工作原理類似，都是利用發(fā)射波和回波之間的時間差來計算距離，不同是前者發(fā)射的是激光，后者發(fā)射的是超聲波。與超聲波傳感器相比，激光測距傳感器測量精度更高、測距范圍更大，環(huán)境適應能力更強，如圖4所示。最小二乘法具有很好的估計性能，但在誤差方面精確度不夠，當定位精度要求不高的時候，可以采用最小二乘法。在解決三維空間定位問題時，試驗場必須布設4個及以上數(shù)量的基站，并且獲得3個及以上的時差信息，才可以利用最小二乘法構(gòu)建矩陣函數(shù)。計算如下：Taylor算法，是一種常用的遞歸算法，該算法的原理是：將定位方程利用泰勒中值定理進行展開，衡量工作量及精度后，采用只保留一次導數(shù)項的方法，在確定初始位置的基礎上，每一步迭代方向都是沿著當前點的函數(shù)值下降的方向進行。計算如下：泰勒級數(shù)展開法是解決非線性方程的較有效的方法，而且在初始值接近真實值的情況下會有很高的精度。第四章精度分析精度、能耗和安全是傳感器網(wǎng)絡定位中需要考慮的主要因素。前兩者已經(jīng)受到大量研究人員的關(guān)注并取得了較多的成果，而安全定位只是在近幾年才引起重視。傳感器節(jié)點經(jīng)常部署在無人或者非友好的環(huán)境中，節(jié)點的密鑰信息以及節(jié)點間的通信內(nèi)容可能被敵方竊取。通過竊聽節(jié)點間的信息并在網(wǎng)絡中加入虛假信息，敵方節(jié)點就能夠輕易地干擾節(jié)點的定位，形成攻擊。傳感器網(wǎng)絡定位技術(shù)的主要性能包括精度、能耗和安全。例如，TDoA適用于傳播距離短的網(wǎng)絡部署環(huán)境，意味著網(wǎng)絡的信標節(jié)點密度高而導致全局能耗的增大。針對基本蟲洞攻擊和一貫蟲洞攻擊提出了檢測方法：1.根據(jù)時間特性進行攻擊檢測2.根據(jù)空間特性進行攻擊檢3.根據(jù)測距信息一致性進行攻擊檢測；Sensor首先采用時間特性和空間特性檢測出部分受到攻擊的Locator，然后再基于已經(jīng)檢測出來的受攻擊的kcator進行一致性檢測，把剩余的受攻擊Locator全部檢測出來。無線定位技術(shù)中誤差產(chǎn)生的原因：多徑傳播是造成定位誤差的主要原因。多徑不僅可以導致對來波方向的判斷錯誤,而且對于基于時間的定位法來講,即使在MS和BS之間存在LOS(LineOfSight)的情況下也會對信號傳播時延的測定帶來誤差。NLOS(NonLineofSight)傳播也是影響定位精度的主要原因。無論是測向定位還是測距定位,視距傳播(LOS)信號是正確定位的基礎。由于受到衰落和陰影效應等因素的影響,基站接收的信號中可能不包含LOS信號或LOS信號。因此如何降低NLOS傳播的影響是提高定位精度的關(guān)鍵。多址干擾。多址干擾最敏感的是CDMA系統(tǒng)。由于CDMA系統(tǒng)中的各用戶均使用同一頻段,因此遠離基站的用戶信號可能被基站附近用戶信號所抑制,造成遠端用戶信號無法檢測,這就是遠——近效應。第五章研究展望無線傳感器網(wǎng)絡定位研究已廣泛開展并取得了許多研究成果，但仍存在著一些沒有被解決或被發(fā)現(xiàn)的問題，目前最為關(guān)鍵的問題仍然是WSN節(jié)點的能耗問題，一切的定位算法應該在精度和能量消耗上選取一個較為折衷的效果。目前存在的問題及相應可能的解決方案有：1)應用環(huán)境單一。多數(shù)的算法都是針對特定的應用場景進行設計的，也就是說，每個算法都只能解決特殊的問題或應用于特定的場景，一旦環(huán)境發(fā)生變動，算法或系統(tǒng)的測量誤差將增大甚至不再適用。因此，探索更具通用性的定位算法或定位系統(tǒng)，將其應用于更為復雜多變的環(huán)境中是一項新的挑戰(zhàn)。2)受硬件限制。在實際定位中，一些算法由于受到傳感器節(jié)點硬件成本和性能的限制，如某些算法需要在定位節(jié)點上增加GPS，超聲波收發(fā)器，有向天線陣列等設備，增加了節(jié)點硬件成本，阻礙了其在實際定位系統(tǒng)中的應用。因此，算法設計應多考慮WSN節(jié)點的實際情況，如只在部分節(jié)點上增加額外硬件，或根據(jù)實際節(jié)點資源受限情況采用其他定位算法等。3)能量受限。測量精度、容錯性和能量消耗等問題也是目前無線傳感器網(wǎng)絡研究的熱點，更是定位技術(shù)研究的熱點。通常情況下，高測量精度和低能量消耗不可兼得，往往需要在測量精度和能量消耗上進行有效的折衷。因此，可以在提高儲能設備的容量，或利用可能的外界環(huán)境資源為節(jié)點提供能量方向進行研究，另外，提出高效、節(jié)能、符合實際情況的無線傳感器網(wǎng)絡定位算法將具有現(xiàn)實的意義。4)安全和隱私問題。在大范圍部署的無線傳感器網(wǎng)絡中，安全和隱私的問題也是一個主要的研究方向。一方面，一些應用需要節(jié)點位置信息，另一方面，向一些不需要知道位置的節(jié)點透露位置信息則會使網(wǎng)絡面臨安全問題。此外，鑒于無線傳感器網(wǎng)絡的性質(zhì)，集中式算法在后臺處理定位程序也使得節(jié)點的位置信息通過層層傳遞被過多的節(jié)點所知曉，因此分布式算法相對于集中式算法可以減少信息傳遞次數(shù)，增強網(wǎng)絡安全性，另外，在網(wǎng)絡通信中使用信息加密也可以提高網(wǎng)絡安全性。參考文獻[1]邱巖，趙沖沖，戴桂蘭．無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位技術(shù)研究[J]．計算機科學，2008，35(5)：47．50．[2]彭保．無線傳感器網(wǎng)絡移動節(jié)點定位及安全定位技術(shù)研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009：4-7．[3]周艷.基于RSSI測距的傳感器網(wǎng)絡定位算法研究[J].計算機科學,2009,36(4):119-120.[4]AkytidingIFASurveyonSensorNetworks[J]．IEEECommunicationsMagazine，2002，8102-114[5]王貽民,戴冠中,張治,等.AdHoc網(wǎng)絡自定位算法研究[J].計算機科學,2006,33(5):26-31.[6]BergamoP,MazziniG.Localizationinsensornetworkswithfadingandmobility[C]//The,IEEEInternationalSymposiumonPe